基于zigbee的無線ecg心電采集診斷系統(tǒng)-控制系統(tǒng)類

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　無線ECG心電采集和診斷系統(tǒng)是一種新興的、有廣闊發(fā)展前景的醫(yī)療器械。本文基于CC2530 ZigBee模塊和Cortex M3處理器，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離無線心電檢測診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)采集人體心電信號(hào)，通過CC2530模塊建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，將采集節(jié)點(diǎn)采到的信號(hào)發(fā)送到協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器再將信號(hào)送至Cortex M3高性能處理器，對(duì)信號(hào)

2、進(jìn)行進(jìn)一步處理，將心電圖實(shí)時(shí)在LCD上顯示，并進(jìn)行初步診斷。本系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性好、功耗低、體積小等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于醫(yī)院和社區(qū)醫(yī)療站等。</p><p>　　關(guān)鍵詞：ECG、心電采集診斷、ZigBee、Cortex M3</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Wireless ECG fetch

3、ing and diagnosing System is a kind of new and promising medical appliance. Our Article is based on the CC2530 ZigBee and Cortex-M3, which can achieve remote ECG diagnose wirelessly. The system uses professiona

4、l analogue amplifier to fetch human electrocardiosignal. The CC2530 module be used to establish ZigBee network, it sends the signal from Sensor to the Collector wirelessly. The Collector transmits the signal to the Corte

5、x-M3,which processes them further step. Then, the EC</p><p>　　Key words: ECG; Electrocardiosignal; ZigBee; Cortex M3</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　當(dāng)今中國正在步入老齡化社會(huì)，解決好老年人的日常護(hù)

6、理問題將是我國社會(huì)下階段發(fā)展的重大課題，其中蘊(yùn)藏的市場價(jià)值也不可估量。新技術(shù)的發(fā)展，就是要將人從繁雜而單調(diào)的體力勞動(dòng)中解放出來，所以，從電子工程、嵌入式等角度出發(fā)，許多科研單位及學(xué)術(shù)團(tuán)體紛紛提出了老年人醫(yī)療護(hù)理的新概念，電子生活輔助、老年人跌倒預(yù)報(bào)設(shè)備等新技術(shù)層出不窮。再者，除了老齡人的日常照看，醫(yī)院或社區(qū)里病人的護(hù)理也是一項(xiàng)耗費(fèi)人力的工作，如果我們能用一些電子自動(dòng)設(shè)備替代護(hù)理人員的簡單重復(fù)勞動(dòng)，那也可以為醫(yī)生對(duì)病人的監(jiān)護(hù)帶來方便，為醫(yī)

7、院實(shí)現(xiàn)綜合現(xiàn)代化管理打造技術(shù)鋪墊。作為本科生，我們無法做出功能復(fù)雜技術(shù)精尖的大規(guī)模系統(tǒng)化設(shè)備，我們從巧妙靈活的角度出發(fā)，試圖對(duì)特殊人群尤其是老年人的醫(yī)療監(jiān)護(hù)問題提出一點(diǎn)新的解決思路。通過觀察發(fā)現(xiàn)，如果每位病人或老年人都需要有相應(yīng)的護(hù)理人員，這種傳統(tǒng)的一對(duì)一護(hù)理顯然不是人力資源的最佳利用方式。那我們可以設(shè)置攝像頭，可以給被護(hù)理者安裝監(jiān)測儀器儀表，但這些裝置主要以有線設(shè)備居多，這顯然限制了被護(hù)理者的移動(dòng)范圍，給其行動(dòng)帶來不便。為給被護(hù)理者更

8、多的移動(dòng)自由，我們的方案采用無線方式?？紤]到ZigBee無線傳輸技術(shù)低功</p><p><b>　　系統(tǒng)方案 </b></p><p>　　我們的系統(tǒng)由安裝在人體身上的電極傳感器采集人體生命信號(hào)，經(jīng)放大電路放大后，通過A/D送入子節(jié)點(diǎn)，子節(jié)點(diǎn)通過無線方式將采集數(shù)據(jù)報(bào)告給母節(jié)點(diǎn)，母節(jié)點(diǎn)綜合收集各個(gè)子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，將其送入主控制器分析并顯示。整個(gè)系統(tǒng)共分為采集、傳送、控

9、制三個(gè)大模塊。整體框圖如圖 1所示：</p><p><b>　　圖1 系統(tǒng)整體框圖</b></p><p>　　系統(tǒng)最前端的采集模塊首先通過巧妙分布于人體中的電極傳感器采集各個(gè)細(xì)微的人體生命信號(hào)，然后經(jīng)屏蔽電纜送入模擬電路放大部分，該放大電路是經(jīng)典的ECG小信號(hào)放大電路，具有高增益，高保真的特點(diǎn)。在這里，為了使采集到的人體信號(hào)有說服力，我們兼顧了導(dǎo)聯(lián)的概念，具體細(xì)節(jié)

10、將會(huì)在后續(xù)的硬件部分詳細(xì)介紹。</p><p>　　中間的傳送模塊是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。A/D部分采用多通道輪換采集，考慮到數(shù)據(jù)包的使用率，設(shè)置了相應(yīng)的轉(zhuǎn)換精度。ZigBee的傳輸建立在綁定組網(wǎng)之上?？商峁┛煽慷€(wěn)定的連接。由于我們?cè)赯igBee傳輸協(xié)議中內(nèi)嵌了一個(gè)小型的微操作系統(tǒng)，所以每次數(shù)據(jù)連接都是一系列系統(tǒng)動(dòng)作輪詢執(zhí)行后的結(jié)果，所以每次連接的建立都是珍貴的，這就使得我們?cè)诿看芜B接中均考慮到了最大的數(shù)據(jù)傳送負(fù)

11、載能力。ZigBee的母站接收各方數(shù)據(jù)，這里它充當(dāng)?shù)木褪菂f(xié)調(diào)器的角色。協(xié)調(diào)器會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)作相應(yīng)處理，進(jìn)行初步加工，使之符合系統(tǒng)的特性，這里特別對(duì)數(shù)據(jù)幀的格式做了規(guī)定，以便雙方無誤接收以及準(zhǔn)確判斷幀起始位。然后協(xié)調(diào)器用串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制器。</p><p>　　系統(tǒng)終端是控制器模塊，負(fù)責(zé)將從串口傳過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，畫出表征人體生命信息的動(dòng)態(tài)圖，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，做到實(shí)時(shí)反映被檢測人員的身體特征。由于最后匯總的

12、數(shù)據(jù)量龐大，在后兩個(gè)模塊的串口數(shù)據(jù)傳遞過程中，我們選擇了高波特率，以緩沖龐大的數(shù)據(jù)?？刂破鞑捎肁RM處理器，它可將數(shù)據(jù)以圖形的方式展現(xiàn)出來。如果有必要，我們還可以建立逆向過程，使ARM可以經(jīng)過中間ZigBee部分給子節(jié)點(diǎn)發(fā)信號(hào)，給受護(hù)理人員簡單指示。</p><p><b>　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　我們的方案主要使用了ARM-Cortex M3、

13、CC2530、AD623、MCP6004等芯片，整個(gè)硬件設(shè)計(jì)力求簡潔化，下面我們將對(duì)系統(tǒng)的硬件做詳細(xì)介紹。</p><p><b>　　采集模塊設(shè)計(jì) </b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)思路</b></p><p>　　人體心電電壓信號(hào)的大致范圍是1~4mV，為了將信號(hào)轉(zhuǎn)化到便于我們處理和觀察的范圍，我們需要對(duì)信號(hào)進(jìn)

14、行適當(dāng)?shù)姆糯蟆?~5V的電壓信號(hào)處理起來較為方便，因此我們大致需要對(duì)原始心電信號(hào)放大1000倍左右。在這里，我們采用了兩級(jí)放大的設(shè)計(jì)方案。若第一級(jí)放大增益過高，則容易產(chǎn)生自激，為了防止自激，因此我們?cè)O(shè)計(jì)第一級(jí)放大增益為10倍左右，第二級(jí)放大增益為100倍左右。</p><p>　　在第一級(jí)放大中，我們使用了儀器放大器AD623。AD623是一款低功耗儀器放大器，可以使用單電源3V供電，可以與CC2230模塊可以使

15、用同一電源，同時(shí)也可以做到盡量降低功耗。AD623的增益可以方便地通過外接電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)。這里我們使用的電阻阻值為15K，AD623的增益約為8~10倍。第一級(jí)運(yùn)放電路原理圖如下所示：</p><p>　　圖2 第一級(jí)放大原理圖</p><p>　　第二級(jí)放大我們使用了低功耗通用放大器MCP6004。MCP6004使用1.8~5.5V單電源供電。可以實(shí)現(xiàn)與AD623和CC2530使用同一電源

16、供電，便于心電采集及發(fā)射裝置的集成。MCP6004為四運(yùn)放封裝，可以同時(shí)充當(dāng)1.5V參考電壓電路和右腿驅(qū)動(dòng)電路所用運(yùn)放。第二級(jí)放大電路圖如下所示：</p><p>　　圖3 第二級(jí)放大原理圖</p><p>　　通過計(jì)算第二級(jí)同相放大器增益：</p><p>　　可知兩級(jí)放大總增益約為400至500倍，可以將原始信號(hào)放大到0.5~2V，適合CC2530模塊進(jìn)行采集。

17、</p><p>　　查閱相關(guān)資料可以知道，心電信號(hào)的頻率大致在0.3~160Hz之間。為了消除采集和傳輸過程中的噪聲，我們?cè)O(shè)計(jì)了帶寬為0~160Hz的帶通濾波器，保證心電信號(hào)的采集效果。</p><p>　　由于人體心電信號(hào)非常微小，同時(shí)，信號(hào)也容易受到其他噪聲的影響。可以使用右腿驅(qū)動(dòng)電路消除共模干擾對(duì)信號(hào)采集的影響。在右腿驅(qū)動(dòng)電路中，我們首先設(shè)計(jì)了一個(gè)電壓跟隨器，起到緩沖、隔離的作用。

18、在電壓跟隨器之后，我們使用了一個(gè)反相放大器放大信號(hào)。</p><p>　　圖4 右腿驅(qū)動(dòng)原理圖</p><p><b>　　改進(jìn)方案</b></p><p>　　在采集模塊的設(shè)計(jì)過程中我們發(fā)現(xiàn)，雖然該模塊只用到AD623和MCP6004兩塊芯片。但是模塊總體體積還是過大，不便于攜帶。同時(shí)，電路板線路的布局也會(huì)對(duì)信號(hào)的采集產(chǎn)生一定的干擾。<

19、/p><p>　　為了解決這個(gè)問題，我們已經(jīng)開始著手使用TI公司的ADS1298芯片來實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的采集。ADS1298是TI公司設(shè)計(jì)的專門用于生物電勢測量的低功耗、8通道、24位模擬前端。其中內(nèi)置8個(gè)低噪聲可編程增益放大器和8個(gè)高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器。使用ADS1298可以在片內(nèi)實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，減小后級(jí)處理器的工作量，便于傳輸。</p><p>　　同時(shí)ADS1298內(nèi)置右腿驅(qū)動(dòng)放大器和導(dǎo)聯(lián)脫落檢

20、測器，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測導(dǎo)聯(lián)是否連接正常。相比于原來使用AD623和MCP6004的方案，使用ADS1298可以減小前端設(shè)備的體積，減少干擾，增加可靠性，并可以進(jìn)一步降低功耗。</p><p>　　ZigBee模塊硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　我們整個(gè)ZigBee平臺(tái)的搭建采用的是由湘潭電子科技有限公司生產(chǎn)的SK-CC2530ZDK硬件平臺(tái)。用到下列組件：</p><p&

21、gt;　　1個(gè)SK-SmartRF05EB（評(píng)估底板）</p><p>　　2個(gè)SK-SmartRF05BB（電池底板）</p><p>　　3個(gè)SK-CC2530EM（評(píng)估模塊）</p><p>　　3支2.4GHz可折疊橡皮天線（天線增益3dBi）</p><p>　　ZigBee模塊的整體框圖如圖5所示：</p><

22、p>　　圖5 ZigBee網(wǎng)絡(luò)示意圖</p><p>　　SK-SmartRF05EB與SK-CC2530EM構(gòu)成的協(xié)調(diào)器</p><p>　　SK-SmartRF05EB因其豐富的外設(shè)，所以當(dāng)作采集器使用。它帶有12864點(diǎn)陣字庫LCD，UART轉(zhuǎn)USB接口，多色LED指示燈，按鍵，插針式I/O引腳。然后SK-SmartRF05EB板上有SK-CC2530EM無線模塊的引腳，很方便

23、拔插。對(duì)于SK-CC2530EM無線模塊，帶有CC2530F256芯片、32.768KHz晶振、32MHz晶振、SMA天線。其中，CC2530片上系統(tǒng)芯片是關(guān)鍵所在，它具備高速低功耗8051內(nèi)核、大容量flash存儲(chǔ)器、8KB的RAM，及豐富強(qiáng)大的外設(shè)資源，包括8~14位ADC、USART、21個(gè)可編程I/O口，它采用3.3V供電，也可外接USB供電。它具有卓越射頻性能，包括低功耗、高靈敏度、出眾的抗噪聲及抗干擾能力。我們采用的SK-C

24、C2530EM模塊在最大發(fā)送功率+4dBm,空曠地環(huán)境下有效傳輸距離在400~450米之間，數(shù)據(jù)包傳輸率保持在99%以上。這里，協(xié)調(diào)器（亦稱采集器）擔(dān)任了采集數(shù)據(jù)之間重要的轉(zhuǎn)換角色，它要收集各方數(shù)據(jù)，然后用串口傳輸至ARM處理器。</p><p>　　SK-SmartRF05BB與SK-CC2530EM構(gòu)成的采集節(jié)點(diǎn)</p><p>　　SK-SmartRF05BB板基本功能與SK-Sma

25、rtRF05EB相同，但功能比較精簡。僅有多色LED指示燈、用戶按鍵與插針式I/O引腳等基本指示功能。同樣，SK-SmartRF05BB板上的SK-CC2530EM無線模塊必不可少，它同樣采用3.3V供電，因?yàn)榻K端采集節(jié)點(diǎn)分布在傳感網(wǎng)絡(luò)的最末端，我們可用普通電池供電。</p><p>　　3.2.3 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換硬件設(shè)置</p><p>　　我們采用CC2530有一個(gè)原因是因?yàn)樗腁DC

26、靈活度較大，具有以下特征：</p><p>　　ADC轉(zhuǎn)換位可選，8~14位；</p><p>　　8個(gè)獨(dú)立配置輸入通道</p><p>　　可設(shè)置為多種參考電壓</p><p><b>　　長生中斷</b></p><p>　　使用ADC時(shí)，將CC2530相應(yīng)引腳配為輸入，我們?cè)谶@里采用SK-S

27、martRF05BB板上CC2530的P0.1口作為ADC通道。我們知道測量精確數(shù)據(jù)需增加A/D位數(shù)，而增加位數(shù)會(huì)使無線傳輸時(shí)數(shù)據(jù)包的效率低下，而且心電信號(hào)躁動(dòng)干擾大，不需要精確將每一時(shí)刻的值都全息記錄，而主要反映其關(guān)鍵點(diǎn)的波形即可，所以我們的ADC使用8位模式。心電信號(hào)經(jīng)放大后出來的信號(hào)幅值在2V上下，所以參考電壓選擇片上引腳電壓（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下為3.3V）。</p><p>　　LCD液晶顯示硬件配置</p

28、><p>　　SK-SmartRF05EB協(xié)調(diào)器上配有的MzLH04-12864為一塊128×64點(diǎn)陣的LCD顯示模組。該模組自帶兩種字號(hào)的漢字庫（包含一、二級(jí)漢字庫）以及兩種字號(hào)的ASCII碼細(xì)紋字庫；自帶基本繪圖功能。該模組為串行SPI接口，接口簡單、操作方便；我們使用的是SK-SmartRF05EB板上CC2530的P1.2、P1.5、P1.6口以硬件方式驅(qū)動(dòng)SPI，配置SPI為三線驅(qū)動(dòng)模式，使用CS

29、\MOSI\SCLK三根信號(hào)線。</p><p><b>　　串口通信硬件配置</b></p><p>　　SK-SmartRF05EB協(xié)調(diào)器上的LCD顯示模組僅僅作為基礎(chǔ)的顯示，無法用它實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的分析并完美呈現(xiàn)。所以我們?cè)谶@里還需將數(shù)據(jù)交給更強(qiáng)大的ARM處理器，它們之間的通信用UART串口進(jìn)行。我們采用CC2530的USART0串行總線接口Alt1異步UART模

30、式，連接CC2530的p0.2、p0.3口。在SK-SmartRF05EB協(xié)調(diào)器帶有USB轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)串口方案，采用CH340T轉(zhuǎn)換芯片，該芯片能將USB通信方式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)串口格式數(shù)據(jù)，這樣我們就可以用USB與PC進(jìn)行通信，但由于我們采用的是ARM處理器，與PC的通信僅作為實(shí)驗(yàn)用途。而最終方案考慮了將串口數(shù)據(jù)通過兩根普通連接線與ARM處理器相連，兩根線分別代表Rx與Tx信號(hào)。串口的傳輸速率采用115200bps的高比特率,滿足我們的數(shù)據(jù)率

31、傳輸需求。</p><p>　　ARM處理器硬件方案設(shè)計(jì)</p><p>　　我們使用的ARM平臺(tái)是銳鑫同創(chuàng)公司的一款基于TI Stellaris系列高端 LM3S9B96微控制器（cortex-m3內(nèi)核）的全功能開發(fā)平臺(tái)—HelloM3-9B9X開發(fā)板。LM3S9B96是TI最新推出的Stellaris系列Tempest家族中功能最強(qiáng)大的一款，主頻80MHz（100M MIPS）、256

32、 KB的閃存、96 KB的 靜態(tài)存儲(chǔ)器，同時(shí)支持10/100M以太網(wǎng)、USB OTG、2.8TFT觸摸屏、SD卡、I2S 音頻，通過底板擴(kuò)展支持2路CAN、2路232、1路485、1路IrDA、6個(gè)功能按鍵、4個(gè)LED、SPI FLASH、I2C 、EEPROM、蜂鳴器、電機(jī)控制接口等資源，功能強(qiáng)大、接口豐富。</p><p>　　HelloM3-9B9X功能模塊圖：</p><p>　　

33、圖6 ZigBee網(wǎng)絡(luò)示意圖</p><p>　　本項(xiàng)目中Cortex-M3平臺(tái)的應(yīng)用</p><p>　　在本項(xiàng)目中，主要應(yīng)用到了ARM平臺(tái)的UART異步串口通信和LCD顯示。SK-SmartRF05EB協(xié)調(diào)器通過串口，將采樣數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸RM平臺(tái)上，經(jīng)處理后，將數(shù)據(jù)以心電圖的方式實(shí)時(shí)繪制在LCD上。在后期，將顯示多路波形及基本生理數(shù)據(jù)如心率、呼吸、體溫等，并將數(shù)據(jù)傳到電腦上進(jìn)行進(jìn)一步處理

34、。</p><p><b>　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　ZigBee部分軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　首先無論我們是采集數(shù)據(jù)，還是發(fā)送控制命令，因?yàn)槲覀兊腪igBee方案是無線的，所以我們首先會(huì)遇到無線建立網(wǎng)絡(luò)，相互握手，然后通信的問題。這部分內(nèi)容我將其歸結(jié)在ZigBee協(xié)議棧中。接著軟件設(shè)計(jì)還需兼顧發(fā)送端A/D采集數(shù)據(jù)并發(fā)送

35、，接收端接收數(shù)據(jù)并通過UART傳至下一級(jí)。因?yàn)槲覀儾捎玫腡I公司的ZigBee PRO協(xié)議內(nèi)嵌了一個(gè)小型的操作系統(tǒng)來維持多任務(wù)的有序執(zhí)行，我們下面先對(duì)我們使用的系統(tǒng)架構(gòu)做一個(gè)介紹，如圖所示：</p><p>　　圖7 操作系統(tǒng)流程圖</p><p>　　從流程圖中可以看出，整個(gè)操作系統(tǒng)運(yùn)行起來后，首先進(jìn)行一些必要模塊的初始化工作。其中的主要部分是系統(tǒng)初始化（Osal_init_system

36、函數(shù)），它會(huì)給各個(gè)任務(wù)分配任務(wù)號(hào)（TaskID）,然后設(shè)定相應(yīng)事件。接著開啟中斷，初始化按鍵與顯示之后，我們就可以啟動(dòng)操作系統(tǒng)（Osal_start_system函數(shù)）。開始操作系統(tǒng)入口程序后，系統(tǒng)控制權(quán)被交給操作系統(tǒng)，由操作系統(tǒng)管理調(diào)度各項(xiàng)任務(wù)。也就是，Osal_start_system函數(shù)使操作系統(tǒng)進(jìn)入無返回的死循環(huán)，直至系統(tǒng)復(fù)位或者看門狗復(fù)位。該函數(shù)為輪詢查詢式操作系統(tǒng)的主體部分，即他所需要完成的任務(wù)就是不斷查詢每個(gè)任務(wù)是否有新的

37、事件發(fā)生，若有新事件發(fā)生，則執(zhí)行相關(guān)事件函數(shù)；若沒有發(fā)生，則繼續(xù)查詢下一個(gè)任務(wù)，周而復(fù)始。其次，整個(gè)工程構(gòu)架均建立在操作系統(tǒng)之上，工程結(jié)構(gòu)包含應(yīng)用層，硬件層，監(jiān)控調(diào)試層，網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議棧操作系統(tǒng)，AF層，安全層，ZigBee設(shè)備對(duì)象層等多個(gè)模塊，大量的代碼已經(jīng)由TI公司的ZigBee協(xié)議層完成。我們所要做的是編寫自己的應(yīng)用函數(shù)。</p><p>　　我們本方案中具體的軟件架構(gòu)同上所述，軟件編寫分為網(wǎng)絡(luò)形成，建立綁定，

38、數(shù)據(jù)傳輸，又因?yàn)橹灰峭ㄐ啪鸵欢〞?huì)涉及到兩個(gè)終端，也就是我們這里所說的采集節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器，所以我們的流程圖將分為兩部分介紹。其中，協(xié)調(diào)器算法流程圖下圖所示：</p><p>　　圖8 協(xié)調(diào)器算法流程圖</p><p>　　從協(xié)調(diào)器的算法中可看出，對(duì)于協(xié)調(diào)器，它充當(dāng)?shù)木褪且粋€(gè)搜索者的角色，捕獲數(shù)據(jù)并傳至后一級(jí)。首先一個(gè)網(wǎng)絡(luò)一個(gè)協(xié)調(diào)器，然后協(xié)調(diào)器啟動(dòng)，讀取設(shè)備的邏輯類型，讀為協(xié)調(diào)器，形成網(wǎng)絡(luò)開始

39、，它會(huì)觸發(fā)操作系統(tǒng)中的組網(wǎng)事件。網(wǎng)絡(luò)建立起來后，協(xié)調(diào)器將與節(jié)點(diǎn)建立綁定關(guān)系，這兒采用的是目的地址未知的綁定，協(xié)調(diào)器會(huì)進(jìn)入允許綁定狀態(tài)，我們需設(shè)置時(shí)間參數(shù)，對(duì)允許綁定的時(shí)間范圍進(jìn)行限定。因?yàn)楸蛔o(hù)理人員是自主的，本系統(tǒng)中我們將時(shí)間設(shè)定為任何時(shí)候都允許綁定，在收到子節(jié)點(diǎn)的綁定請(qǐng)求后，協(xié)調(diào)器產(chǎn)生一個(gè)綁定成功標(biāo)志。綁定完成后就相當(dāng)于數(shù)據(jù)的鏈路已經(jīng)建立完成，我們可以設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳輸部分了，因?yàn)樵赯igBee的操作系統(tǒng)中有消息來訪事件（有點(diǎn)像手機(jī)的來電顯

40、示），只要節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)出，協(xié)調(diào)器就會(huì)進(jìn)入接收數(shù)據(jù)指示函數(shù)，通過判斷數(shù)據(jù)類型，數(shù)據(jù)幀頭部標(biāo)志（具體的數(shù)據(jù)幀格式將在下面的發(fā)送部分詳細(xì)講解），進(jìn)入心電信號(hào)報(bào)告處理部分，我們將采集到的8位數(shù)據(jù)擴(kuò)大一倍，然后采用軟件微濾波的方式將偏離正常值的數(shù)據(jù)隔離。將整形后的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)給ARM處理器，串口一次發(fā)送一個(gè)字節(jié)，配置USART0為Alt1異步UART模式。在初始化函數(shù)中給相關(guān)寄存器賦初值，將串</p><p>　　終端采

41、集節(jié)點(diǎn)的流程圖基本同協(xié)調(diào)器，與協(xié)調(diào)器相比，去掉了串口部分，增加了A/D采樣模塊，然后組網(wǎng)時(shí)，終端節(jié)點(diǎn)將主動(dòng)尋找協(xié)調(diào)器并加入，綁定時(shí)，采集節(jié)點(diǎn)先請(qǐng)求綁定，若發(fā)現(xiàn)允許綁定的協(xié)調(diào)器，采集節(jié)點(diǎn)就會(huì)發(fā)出綁定裝置信號(hào)，若返回成功標(biāo)記，則綁定完成。接著就是發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來自A/D采樣部分，現(xiàn)先通過圖9指明A/D的具體過程：</p><p>　　圖9 A/D采樣流程圖</p><p>　　A/D采用p0.

42、1通道，轉(zhuǎn)換精度采用8位，有效位為7位，也就是說我們采集到的電壓數(shù)據(jù)在1到127之間，將心電采集定義為一個(gè)事件，放入終端采集節(jié)點(diǎn)的用戶自定義函數(shù)中，然后每隔120ms啟動(dòng)該事件，這是因?yàn)榭紤]了ZigBee事件的輪詢，所以發(fā)送間隔時(shí)間太短會(huì)誤導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)入死區(qū)。接著，我們對(duì)每次發(fā)送的數(shù)據(jù)做了規(guī)定，每幀數(shù)據(jù)按字節(jié)的整數(shù)倍發(fā)送，首字節(jié)標(biāo)記數(shù)據(jù)的物理特性，即心律，溫度，呼吸等，然后后續(xù)字節(jié)為采樣數(shù)值，因?yàn)锳/D轉(zhuǎn)換精度采用8位，所以一次采樣值剛好可

43、以放入一個(gè)字節(jié)中。又因?yàn)?20ms啟動(dòng)一次發(fā)送事件，意味著兩次發(fā)送之間有120ms的間隔，我們?cè)谶@段間隔中插入了15次A/D采樣，每次采樣間隔6ms。由于心電信號(hào)在它的上跳點(diǎn)處頻率很高，所以我們充分挖掘了ZigBee的數(shù)據(jù)傳輸能力，保證系統(tǒng)有足夠的采集傳輸速率。</p><p>　　ARM平臺(tái)上的軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　在我們前期的程序設(shè)計(jì)上，主要側(cè)重于串口通信和LCD顯示這兩大部分

44、功能。</p><p><b>　　算法設(shè)計(jì)思路</b></p><p>　　首先從指定端口0的接收FIFO中獲取一個(gè)數(shù)值，通過顏色將數(shù)值畫在第一列上，然后繼續(xù)接收下一個(gè)數(shù)值，畫在第二列，并與第一列的數(shù)值點(diǎn)連接成線。如此循環(huán)畫下去，當(dāng)畫滿一屏后，重新從第一列開始覆蓋前一屏的波形。</p><p>　　在串口通信中，使能串口中斷。當(dāng)有數(shù)據(jù)輸入時(shí)

45、，進(jìn)入串口中斷。將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，傳到LCD顯示。</p><p>　　由于屏幕是320x240的規(guī)格，將屏幕分為兩部分，縱軸0~23的范圍處畫框顯示標(biāo)題，縱軸29~239的范圍處畫框顯示ECG波形。在顯示波形的過程中，按照每接收一個(gè)數(shù)據(jù)畫一列的思路，逐漸畫完一屏波形，然后重新刷新，覆蓋前一屏的波形。在顯示波形的區(qū)域，將其分為小塊的方格，方便觀察，并將5x5的方格畫一個(gè)邊界。在畫每一列的過程中，先著背景色，再畫出方

46、格線，最后畫出數(shù)值點(diǎn)。方格線和數(shù)值點(diǎn)通過不同的顏色表示，小格的方格線用淺藍(lán)色表示，大格的方格線用藍(lán)色表示，一路數(shù)值線用紅色表示。當(dāng)輸入三路信號(hào)時(shí)，分別用紅綠紫表示。通過列數(shù)計(jì)數(shù)器j累加，來判斷是否畫完一屏數(shù)據(jù)。當(dāng)畫完一屏?xí)r，列數(shù)計(jì)數(shù)器j清零，重新從第一列畫起，逐漸覆蓋前一屏的波形。</p><p><b>　　算法流程圖</b></p><p>　　圖10 Corte

47、x-M3程序流程圖</p><p><b>　　程序的后期設(shè)計(jì)</b></p><p>　　在程序的后期設(shè)計(jì)中，將移植RTOS操作系統(tǒng)和GUI，以便執(zhí)行更多的操作和功能：</p><p>　　加入計(jì)算心率算法，增加心率，體溫參數(shù)的顯示</p><p><b>　　心電圖的存儲(chǔ)與回放</b></

48、p><p>　　通過觸屏控制波形的放大</p><p>　　對(duì)接受的生理參數(shù)進(jìn)行初步診斷</p><p>　　接收多個(gè)用戶的數(shù)據(jù)，通過觸屏選擇任何一個(gè)人的心電圖并顯示</p><p>　　通過上位機(jī)與電腦連接，將所有的數(shù)據(jù)傳給電腦，以便進(jìn)一步的處理</p><p><b>　　系統(tǒng)創(chuàng)新</b><

49、/p><p>　　醫(yī)院或社區(qū)老齡人或特殊人群的監(jiān)護(hù)周期長，而且監(jiān)護(hù)這項(xiàng)工作的特點(diǎn)就是“預(yù)防萬一”，有特殊情況的時(shí)間在整個(gè)監(jiān)護(hù)時(shí)間段內(nèi)只是一瞬間，但為了這一瞬間我們需要每時(shí)每刻的監(jiān)護(hù)，這就涉及到成本功耗問題，而ZigBee正好就具有低功耗的特點(diǎn)，兩節(jié)普通5號(hào)電池就可以驅(qū)動(dòng)。所以采用低功耗的ZigBee方案檢測人體的生命信號(hào)是檢測的生命力所在。在者，一般醫(yī)院現(xiàn)有的監(jiān)護(hù)方案有的是受護(hù)理人員躺在床上，然后通過有線的方式將數(shù)據(jù)

50、傳輸至醫(yī)務(wù)人員辦公室，這樣受護(hù)理者的活動(dòng)范圍明顯受限制。還有的方案是病人自身要攜帶笨重的檢測分析儀器，而病人本身是很少有分析能力，所以這種方式效率也不高。我們提出的無線ECG方案，綜合了上述兩中類型方案的優(yōu)點(diǎn)，將采集放置在受護(hù)理端，然后將數(shù)據(jù)通過無線的方式傳遞至另一邊的分析端。這樣既給了受護(hù)理者充分的自主性，又有專業(yè)醫(yī)務(wù)人員的實(shí)時(shí)監(jiān)控，是未來系統(tǒng)發(fā)展的主流。另外一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)是數(shù)據(jù)的整理，我們知道因?yàn)閆igBee內(nèi)嵌操作系統(tǒng)，所以兩次發(fā)送信

51、息事件的間隔不能太小，否則會(huì)造成連接的中斷，鑒于此，我們創(chuàng)造性的在一個(gè)發(fā)送包中加大了數(shù)據(jù)的容量，即在一個(gè)數(shù)據(jù)包中放入多次A/D采樣值，經(jīng)過一定延遲后再進(jìn)行采樣</p><p><b>　　評(píng)測與結(jié)論</b></p><p>　　我們對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測試后，發(fā)現(xiàn)模電采集部分效果很明顯，將1mV至4mV的微弱心電信號(hào)放大到了2V左右的可觀測信號(hào)，先用示波器觀察前級(jí)心電圖（ECG

52、），可看到心電信號(hào)的波形是一個(gè)先急速上跳，然后又稍微下跳的波形。接著我們將子節(jié)點(diǎn)采集到的信號(hào)用無線方式發(fā)送給了協(xié)調(diào)器，這里，每120ms發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，每個(gè)數(shù)據(jù)包含14個(gè)有效采樣值，它們是每隔6ms采樣一次，由此發(fā)現(xiàn)發(fā)送速率實(shí)際為800bit/s左右。協(xié)調(diào)器的LCD顯示屏可以看到實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)快速閃動(dòng)，但這里顯然不是信號(hào)的最佳觀測點(diǎn)。</p><p>　　我們將數(shù)據(jù)傳送給了ARM處理器，接著我們?cè)贏RM處理器的顯

53、示屏上看到了剛才在示波器中顯示的波形。后續(xù)的測試我們將實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搬移到了室外，發(fā)現(xiàn)在視力所以范圍內(nèi)，ZigBee傳輸仍保持了高質(zhì)量，我們?yōu)槭褂弥欣^，若使用中繼，并設(shè)置好跳數(shù)。理論上ZigBee將傳至無窮遠(yuǎn)處。我們整個(gè)系統(tǒng)的測試參數(shù)如下表：</p><p>　　表1 系統(tǒng)測試參數(shù)表</p><p>　　我們的系統(tǒng)初步實(shí)現(xiàn)了ECG心電圖的遠(yuǎn)程無線傳輸。在接收端可以觀測到清楚的心電圖實(shí)時(shí)波形。在改

54、進(jìn)方案中，我們的模擬電路部分將使用TI公司性能更加強(qiáng)勁的ADS1298芯片，我們現(xiàn)已申請(qǐng)到樣片，并用它開展實(shí)驗(yàn)。我們還將使用更多中繼路由，加大傳輸距離，繼續(xù)優(yōu)化算法，減小延遲，增大心電信號(hào)的采集速率。并且將ARM處理器的數(shù)據(jù)上傳至以太網(wǎng)，夠成更加綜合的系統(tǒng)。</p><p><b>　　附錄</b></p><p><b>　　系統(tǒng)實(shí)拍照片：</b&g